Raisons d'utiliser le titane
réduire le poids
La haute résistance et la faible densité du titane (environ 40 % inférieure à celle de l'acier) offrent de nombreuses possibilités de réduction de poids. Les meilleurs exemples sont son utilisation sur les trains d'atterrissage des Boeing 777 et 787 et des Airbus A380. La figure 1 montre le train d'atterrissage du 777. 1 Toutes les pièces marquées sont en Ti-10V-2Fe-3Al. La résistance minimale à la traction de cet alliage est de 1 193 MPa ; il est utilisé en remplacement de l'acier haute résistance faiblement allié 4340M utilisé à 1 930 MPa. Ce remplacement a entraîné une réduction de poids de plus de 580 kg. 1 Boeing 787 utilise la prochaine génération d'alliage de titane à haute résistance Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, qui est légèrement plus résistant et présente certains avantages de traitement. L'utilisation du titane dans la structure du train d'atterrissage devrait également réduire considérablement le coût de maintenance du train d'atterrissage pour sa résistance à la corrosion. La faible densité et la haute résistance le rendent très attrayant pour les pièces à mouvement alternatif, telles que les bielles pour les applications automobiles. De même, le prix des voitures familiales est trop élevé, mais le département américain de l'énergie investit massivement pour rendre raisonnable le prix des composants en titane pour les voitures et les camions. (Le titane a été utilisé avec succès dans les voitures de course haut de gamme, et le coût n'est pas un si gros problème.)
Contraintes d'espace
Cette application n'apparaît pas souvent, mais elle est importante. Les meilleurs exemples sont les poutres de train d'atterrissage utilisées sur les 737, 747 et 757. Ce composant s'étend entre les ailes et le fuselage, supportant le train d'atterrissage. D'autres avions Boeing utilisent un alliage d'aluminium dans cette application, mais pour les avions ci-dessus, la charge est plus élevée et la structure en aluminium n'est pas adaptée à l'enveloppe de l'aile. L'alliage d'aluminium sera le premier choix car son coût est beaucoup plus faible. L'acier est une autre option, mais le poids sera plus élevé.
Température de fonctionnement
La structure du moteur et la zone d'échappement fonctionnent à des températures élevées, le choix principal se porte donc sur des alliages à base de titane ou à base de nickel; de même, les alliages de nickel augmenteront considérablement le poids. La température de service de l'alliage de moteur en titane est aussi élevée qu'environ 600°C. Certaines applications, telles que les bouchons et les buses (Figure 2), peuvent supporter des températures supérieures à cette température pendant une courte période de temps dans certaines conditions de fonctionnement. Sauf pour les alliages spéciaux pour moteurs, la limite de température des alliages de titane est d'environ 540°C. Au-dessus de cette température, la contamination par l'oxygène devient un problème, rendant la surface cassante. Le titane est également utilisé dans des structures à basse température, telles que les roues des moteurs de fusée.
Résistance à la corrosion
Le titane a un oxyde naissant très résistant qui se forme immédiatement lorsqu'il est exposé à l'air. Cet oxyde est responsable de l'excellente résistance à la corrosion. Dans l'environnement aérospatial, la corrosion n'est pas un facteur dans le titane. Le titane n'est pas piqué. De l'avis de l'auteur &, c'est l'essence même d'une expérience de service de haute qualité. Lors de l'utilisation, les alliages d'aluminium et d'acier finiront par former des piqûres de corrosion, qui agissent comme des élévateurs de contrainte et provoquent ensuite une corrosion sous contrainte ou des fissures de fatigue. Cela ne se produit pas avec le titane. Cette résistance à la corrosion se retrouve dans les industries chimiques, pétrochimiques, de la pâte à papier, du papier et de la construction. Le titane et ses alliages ont une excellente résistance dans la plupart des conditions de réduction oxydantes, neutres et inhibées. Il a également une résistance à la corrosion dans le corps humain. La biocompatibilité est également très bonne ; il est utilisé dans un appareil prothétique, et l'os se développera en une structure en titane raisonnablement conçue. Le titane pur commercial est également utilisé dans les applications de construction extérieure, et cette pratique a commencé au Japon. Il est utilisé sur la surface extérieure car il n'a jamais besoin d'entretien. Le plus célèbre d'entre eux est son utilisation à l'extérieur du musée Guggenheim de Bilbao, en Espagne.
Compatibilité des matériaux composites
Le titane est compatible avec les fibres de graphite dans les composites polymères. Il existe un potentiel électrique élevé entre l'aluminium et le graphite. Si l'aluminium entre en contact avec du graphite lorsqu'il est mouillé, l'aluminium sera corrodé. Il peut être isolé des matériaux composites par des méthodes telles que les couches de fibres de verre, mais dans les zones difficiles à inspecter et à remplacer, le titane est utilisé comme méthode conservatrice. De plus, bien que le coefficient de dilatation thermique (CTE) du titane soit supérieur à celui du graphite, il est bien inférieur à celui de l'aluminium. Même dans la plage de température de fonctionnement de la structure du fuselage, d'environ -60°C en croisière à +55°C par temps chaud, la différence de CTE de la structure en aluminium fixée au matériau composite entraînera une charge très élevée. Ce n'est pas un problème avec la structure en titane. Évidemment, plus le composant est long, plus le problème de l'utilisation de l'aluminium est important.
Module bas
Le principal domaine d'importance est le remplacement des ressorts en acier. Étant donné que le module est d'environ la moitié de celui de l'acier, seulement la moitié du nombre de bobines est nécessaire. Combinant haute résistance et densité (environ 60 % d'acier), les ressorts en acier peuvent idéalement réduire le poids d'environ 70 %. De plus, le titane offre une excellente résistance à la corrosion, réduisant ainsi les coûts de maintenance.
Armure
Le titane a une excellente résistance balistique. Comparé à l'armure en acier ou en aluminium, il a la même protection balistique à la densité surfacique d'intérêt et peut réduire le poids de 15 à 35 %, réduisant ainsi considérablement le poids des véhicules militaires de combat au sol. Les véhicules plus légers ont une meilleure transportabilité et maniabilité. Une excellente résistance à la corrosion, un faible ferromagnétisme et une compatibilité avec les matériaux composites offrent également des avantages significatifs. Deux projets qui utilisent du titane dans des véhicules améliorés sont le véhicule de combat d'infanterie Bradley (Figure 3) et le char de combat principal Abrams. 2 Le coût relativement élevé du titane a été réduit avec succès en utilisant des plaques constituées de faisceaux d'électrons, de foyers froids et de lingots à fusion unique. 3
